基坑傾斜樁無支撐支護(hù)機理與工程應(yīng)用*

鄭 剛，吳小波，周海祚，劉照朋

(1.天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室，天津 300072； 2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350)

0 引言

在軟土地區(qū)，存在大量的地下1層～地下2層甚至更深的基坑工程，傳統(tǒng)的懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差，往往會導(dǎo)致較大的坑外土體沉降并且對周圍建筑物產(chǎn)生不利影響，無法達(dá)到較好的支護(hù)效果[1-4]。近年來我國基坑工程技術(shù)取得了一系列重要進(jìn)展[5-7]，然而，幾十年來，軟弱土地區(qū)的基坑工程仍普遍采用水平內(nèi)支撐技術(shù)控制基坑工程穩(wěn)定、變形及其對周邊環(huán)境的影響。大面積基坑水平支撐支護(hù)技術(shù)存在著耗材多、耗費人力多、造價高、工期長、土方開挖與地下結(jié)構(gòu)施工難度大、工業(yè)化建造程度低等突出問題。大面積基坑鋼筋混凝土支撐的施工與拆除的工期可占基坑施工總工期的20%～40%，耗費的鋼材、水泥和砂石料也可占基坑工程造價的20%～40%。此外，基坑的水平支撐是臨時結(jié)構(gòu)，使用完畢后需要拆除，會產(chǎn)生大量固體廢棄物和噪聲。因此，傳統(tǒng)的大面積基坑采用鋼筋混凝土內(nèi)支撐的方式，不符合國家綠色低碳發(fā)展的理念[8-9]。因此，對于量大面廣的基坑工程，是否能有新一代的支護(hù)技術(shù)，在地下1層～地下2層深度范圍內(nèi)(或更深度)，既能有效保證基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和變形控制效果，又能取消水平支撐，實現(xiàn)基坑工程無支撐支護(hù)。

為實現(xiàn)綠色低碳支護(hù)發(fā)展要求，2010年作者[10-11]對傾斜支護(hù)樁支護(hù)結(jié)構(gòu)開展了一系列試驗研究，結(jié)果表明傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，特別是斜直交替支護(hù)結(jié)構(gòu)和前排樁傾斜的新型雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，可顯著提升支護(hù)樁變形控制能力并達(dá)到降低樁身內(nèi)力的效果。隨后，作者開展了一系列傾斜樁室內(nèi)模型試驗與數(shù)值模擬分析，用于研究傾斜樁支護(hù)的力學(xué)性能與支護(hù)機理[12-15]。同時，國內(nèi)外學(xué)者對這種傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形特性進(jìn)行了相應(yīng)研究，孔德森等[15-16]基于筆者的模型試驗[10]和實際工程的數(shù)值驗證，對不同角度的傾斜樁以及斜直交替樁進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明傾斜支護(hù)樁的抗傾覆能力較垂直支護(hù)樁有較大的提高，應(yīng)力集中現(xiàn)象降低，樁身彎矩分布更為合理。Maeda等[18]通過兩組深度為9.6m，傾斜角度為10°的傾斜樁離心機試驗，發(fā)現(xiàn)相同開挖深度，斜樁的水平位移、撓曲變形、土壓力較垂直支護(hù)樁小，且開挖深度越大，斜樁作用越明顯。Seo等[19]也做了傾斜支護(hù)樁的室內(nèi)模型試驗，分別對比了單排懸臂支護(hù)樁、雙排支護(hù)樁同時傾斜和前排垂直后排傾斜的雙排樁的工作性狀。

已有研究結(jié)果表明傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)具有較好的受力性能和變形控制能力，同時由于傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)取消了水平支撐，可在便于施工、提高工程建設(shè)效率的同時保證其經(jīng)濟(jì)性，在工程中具有顯著的應(yīng)用價值。本文基于傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，對軟土基坑中傾斜樁的支護(hù)機理和施工方法進(jìn)行了研究，并就傾斜樁支護(hù)代表工程進(jìn)行了介紹。

1 傾斜樁支護(hù)及其優(yōu)勢

傳統(tǒng)基坑支護(hù)技術(shù)的支護(hù)樁一直采用豎直支護(hù)樁，若將樁體與豎直方向呈一定角度傾斜設(shè)置，并由冠梁連接，稱為傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。將豎直支護(hù)樁與傾斜支護(hù)樁交替布置，支護(hù)樁樁頂位于同一軸線并用冠梁連接的組合結(jié)構(gòu)為斜直交替支護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。相比于傳統(tǒng)懸臂支護(hù)，傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力和抗變形能力更優(yōu)，當(dāng)形成斜直組合支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，其穩(wěn)定與變形控制能力進(jìn)一步顯著提升[10]。同時，研究表明，在一定的條件下，斜直交替支護(hù)結(jié)構(gòu)具有內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)相近的變形控制能力[20]，可在取消內(nèi)支撐的前提下加快施工速度，減少固體廢棄物，從而實現(xiàn)綠色無支撐支護(hù)。

圖1 傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)

圖2 斜直交替支護(hù)結(jié)構(gòu)(內(nèi)斜/直)

圖3 傾斜樁無支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)

圖4 傾斜樁無支撐組合支護(hù)結(jié)構(gòu)變形對比

圖5 傾斜樁無支撐組合支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩對比

基于長期研究，作者研發(fā)了系列傾斜樁無支撐組合支護(hù)體系，包括斜直交替樁組合支護(hù)、X形傾斜交替樁組合支護(hù)、八字形傾斜樁組合支護(hù)、個字形傾斜樁組合支護(hù)和斜直組合雙排樁支護(hù)等，如圖3所示。在天津城區(qū)軟弱土質(zhì)(參數(shù)如表1所示)條件下，將傾斜樁無支撐組合支護(hù)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)支護(hù)進(jìn)行了變形與彎矩對比，如圖4，5所示?；由疃冗_(dá)到7.0m時，懸臂支護(hù)樁變形過大、不能維持穩(wěn)定性，采用傾斜10°～20°的支護(hù)樁與豎直支護(hù)樁進(jìn)行組合形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)可顯著降低樁身變形。對于開挖深度7m的算例來說，相比于內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，部分形式的傾斜樁無支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制能力與內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)幾乎相當(dāng)，均能將樁身最大位移控制在30mm以內(nèi)，且取消內(nèi)支撐后的支護(hù)樁樁身受力幾乎沒有增加。這意味著對地下1層～地下2層深度甚至更深的基坑，采用傾斜樁支護(hù)技術(shù)，能夠在取消水平內(nèi)支撐的情況下保持穩(wěn)定性(自穩(wěn))的同時，也能有效控制基坑變形及其環(huán)境影響，從變形控制的角度也能取消內(nèi)支撐，從而為傾斜樁無支撐支護(hù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2 支護(hù)機理

傳統(tǒng)懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)撐支護(hù)結(jié)構(gòu)，樁身軸力很小，支護(hù)樁主要承擔(dān)彎矩和剪力，類似豎向設(shè)置于地基重的地基梁，其樁身軸力、摩阻力對基坑穩(wěn)定和變形控制的貢獻(xiàn)可以忽略。相比于傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，傾斜樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生較大的樁身軸力，發(fā)揮了樁身軸力的貢獻(xiàn)(內(nèi)斜樁受壓、外斜樁受拉)，大幅度提高支護(hù)結(jié)構(gòu)無支撐支護(hù)能力，工作機理產(chǎn)生重大改變。傾斜樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作機理[15]主要包括地基梁作用，斜撐效應(yīng)，剛架效應(yīng)，重力效應(yīng)，減隆效應(yīng)，機理簡圖如圖6所示。

1)地基梁作用 傳統(tǒng)支護(hù)樁基本為純彎構(gòu)件，主要發(fā)揮地基梁作用，樁身軸力和樁側(cè)摩阻力很小，對控制基坑變形和穩(wěn)定的作用幾乎可忽略。而傾斜樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)在發(fā)揮地基梁作用的同時，樁身作為一個樁體的軸向作用對變形與穩(wěn)定的控制作用也較為顯著，即如下的斜撐效應(yīng)和減隆效應(yīng)。

2)斜撐效應(yīng) 在整個支護(hù)體系中，直樁、斜樁除發(fā)揮地基梁作用外，樁身均將產(chǎn)生較大側(cè)摩阻力和軸力，如圖6b所示，其中斜樁的軸力在樁頂處的水平方向的分力對直樁起到水平支撐作用，從而顯著減小支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，提高基坑抗傾覆穩(wěn)定性。因此，斜樁側(cè)摩阻力和端阻力的發(fā)揮可以提高支護(hù)體系的整體穩(wěn)定性和抗變形能力。此種作用稱之為斜撐效應(yīng)。

3)剛架效應(yīng) 直樁和斜樁通過樁頂冠梁的連接，形成一個共同抵抗土體變形的剛架體系，如圖6c所示。樁體與冠梁間不能發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。在此三角形剛架支護(hù)體系中，斜樁傾斜一定角度后，相較于直樁減小了自身的樁身受力，并且增強了抗傾覆穩(wěn)定性，具有更強的抵御樁后土體變形的支護(hù)能力，而斜樁對于直樁也起到了一定的支撐作用，從而進(jìn)一步控制直樁的變形。

4)重力效應(yīng) 如圖6d所示，斜樁與直樁樁間土體的重量可起到一定抗傾覆的作用，提升支護(hù)結(jié)構(gòu)整體的抗變形能力。此種作用稱之為重力效應(yīng)。

5)減隆效應(yīng) 如圖6e所示，斜樁與直樁樁間土的存在會給坑內(nèi)被動區(qū)土體提供更大的豎向力，此豎向力與坑內(nèi)土體隆起變形方向相反，加之斜樁插入被動區(qū)主要隆起區(qū)域，起到類似抗拔樁的作用，兩者均可起到減小坑底隆起的作用，相應(yīng)地可減小坑外土體沉降，從而減小基坑的整體變形，進(jìn)一步提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制效果。

圖6 傾斜樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)主要支護(hù)機理

整體上看，斜撐效應(yīng)與剛架效應(yīng)在控制樁身與土體變形的作用上最為重要，傾斜樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)勢體現(xiàn)在斜樁對直樁的支撐作用上。剛架體系保證此作用的存在，斜撐效應(yīng)保證此作用最大程度的發(fā)揮。

3 施工設(shè)備及工藝

3.1 施工設(shè)備

傳統(tǒng)靜力壓樁設(shè)備只能施工豎直的預(yù)制樁。在港口與近岸工程常采用柴油錘打樁機打設(shè)傾斜工程樁用于港口和近岸工程結(jié)構(gòu)，由于無法滿足城市對噪聲的控制要求，錘擊打樁機無法應(yīng)用。因此，聯(lián)合相關(guān)工程機械公司研發(fā)了系列傾斜樁壓樁機，解決了城市環(huán)境中施工傾斜支護(hù)樁的難題。

針對傾斜支護(hù)樁施工而專門研發(fā)的傾斜樁靜力壓樁機主要類型有YZY300X和YZY800X兩種類型靜力壓樁機。YZY300X斜樁、直樁通用靜力壓樁機的構(gòu)造主要包括：操縱室、吊機總成、平臺總成、夾樁器總成，主副壓油缸和變幅系統(tǒng)等。壓樁機的各構(gòu)造功能如下：①操縱室，駕駛?cè)藛T和操縱平臺的控制室，用以控制整個吊裝壓樁過程；②吊機總成，用以在沉樁過程起吊預(yù)制樁，并完成喂樁過程將預(yù)制樁放置于正確位置；③平臺總成，上部設(shè)備的安裝操作平臺；④夾樁器總成，通過夾樁油缸的伸縮帶動夾樁板移動實現(xiàn)對樁抱夾。頂部與壓樁油缸活塞相連，跟隨壓樁油缸與活塞做直線往復(fù)運動；⑤主副壓油缸，固定在夾樁器龍門架上用以控制活塞做直線往復(fù)運動，以實現(xiàn)壓樁角度的變化；⑥變幅系統(tǒng)，通過變幅油缸和水平伸縮油缸的調(diào)節(jié)實現(xiàn)前中后傾樁；⑦長船和短船，靜壓斜樁機的行走設(shè)備總成。靜壓斜樁機構(gòu)造如圖7所示。

圖7 靜壓斜樁機構(gòu)造

3.2 施工工藝

傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)靜壓法施工工藝流程如圖8所示。通過斜樁靜壓機，可將預(yù)制混凝土樁順利壓入基坑開挖場地，實現(xiàn)了傾斜樁結(jié)構(gòu)施工的高效性。

圖8 施工工藝流程

4 工程應(yīng)用

基坑傾斜樁支護(hù)技術(shù)已在天津、福建、湖北等多省市地區(qū)得到了應(yīng)用，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

4.1 工程案例1

圖9a為條件濱海軟土地區(qū)傾斜樁無支撐支護(hù)工程應(yīng)用案例?；娱_挖面積約46 000m2，大部分位置開挖深度約4.9m，局部深坑6.3m。基坑坑底以下分布一層厚度約7m的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，該層土正好是基坑被動區(qū)的主要受力土層，對支護(hù)樁的穩(wěn)定性和變形開展均很不利。

為了對比傳統(tǒng)懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)和傾斜樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制能力，在基坑整體上采用了斜直交替支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在D—D剖面處設(shè)置了單排樁懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)。兩種支護(hù)參數(shù)如圖9b所示。D—D剖面處基坑深度為4.9m，排樁為375mm×500mm的預(yù)制空心矩形樁，樁間距為850mm，樁長15m，混凝土強度等級為C80，樁頂用帽梁連接，其混凝土強度等級為C30。待支護(hù)樁施工完成時在該區(qū)段布置樁身位移監(jiān)測測點，測量結(jié)果如圖10所示，相比于懸臂支護(hù)，斜直交替可顯著降低支護(hù)樁的水平位移，單排懸臂支護(hù)樁樁身的最大水平位移相當(dāng)于斜直交替支護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移的3倍作用。由此可見，對本工程而言，對傳統(tǒng)豎直支護(hù)樁，由于其變形過大，將不得不采用豎直排樁并設(shè)置內(nèi)支撐。由于其面積達(dá)46 000m2，內(nèi)支撐的材料消耗、造價和工期將非?？捎^，而斜直交替支護(hù)樁可在無內(nèi)支撐的情況下高效控制支護(hù)樁變形，從而可取消水平支撐。對開挖面積達(dá)46 000m2的大面積基坑來說，取消內(nèi)支撐的節(jié)材降耗、降低造價、縮短工期、便于基坑施工的效益是極其顯著的。

圖9 基坑挖深平面布置及支護(hù)參數(shù)

圖10 基坑支護(hù)與監(jiān)測結(jié)果

4.2 工程案例2

建設(shè)于天津大學(xué)北洋園校區(qū)內(nèi)的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“大型地震工程模擬研究設(shè)施”的第一級基坑開挖深度8m，且開挖深度范圍內(nèi)分布有軟弱土層，按照傳統(tǒng)經(jīng)驗，該工程支護(hù)結(jié)構(gòu)將采用鉆孔灌注樁作為支護(hù)樁，并采用如圖11所示的鋼筋混凝土內(nèi)支撐。

圖11 基坑鋼筋混凝土內(nèi)支撐方案

由于基坑開挖面積達(dá)29 500m2，內(nèi)支撐加排樁的支護(hù)形式存在著前文所述的耗材多、耗費人力多、造價高、工期長、土方開挖與地下結(jié)構(gòu)施工難度大等問題。因此，筆者提出了采用傾斜樁無支撐支護(hù)技術(shù)的建議并得到建設(shè)方采納。考慮到場地區(qū)域的土層性質(zhì)較差，在基坑開挖范圍內(nèi)存在5.8m厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，為滿足基坑變形控制要求，采用了上部放坡2.5m結(jié)合斜直交替樁的支護(hù)形式，如圖12所示。

圖12 基坑斜直組合支護(hù)剖面

本基坑開挖到坑底后的支護(hù)樁實景如圖13所示，土方正在開挖和外運的實景見圖14。由此可見，大面積基坑采用無支撐支護(hù)技術(shù)為土方開挖外運、地下結(jié)構(gòu)的施工提供了顯著便利。最終工期節(jié)省72天，基坑造價節(jié)約1 100萬元。

圖13 基坑斜直組合支護(hù)實景

圖14 基坑開挖實景

基坑支護(hù)樁位移監(jiān)測點布置如圖15所示，代表性監(jiān)測點的支護(hù)樁水平位移如圖16所示，支護(hù)樁最大水平位移控制在25mm以內(nèi)，位移控制效果良好。

圖15 基坑平面及監(jiān)測布點

5 結(jié)語

低碳、綠色基坑支護(hù)與建造技術(shù)成為發(fā)展低碳、綠色工程的重要需求。針對軟弱土地區(qū)量大面廣的地下1層～地下2層(或更深)的基坑工程技術(shù)長期存在的突出問題，課題組研發(fā)了高效提升基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和變形控制能力的系列傾斜樁無支撐支護(hù)技術(shù)。條件適當(dāng)時，針對軟弱土地區(qū)量大面廣的地下1層～地下2層甚至更深的基坑工程可取消內(nèi)支撐，形成新一代、綠色可持續(xù)發(fā)展的無內(nèi)支撐基坑支護(hù)技術(shù)。具體結(jié)論如下。

1)傳統(tǒng)基坑支護(hù)技術(shù)的支護(hù)樁一直采用豎直支護(hù)樁，傾斜樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，可顯著提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制能力，條件適當(dāng)時可實現(xiàn)大面積基坑無支撐支護(hù)。

2)傾斜樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的“一樁五用”機理，可有效控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁身變形與土體位移，使無內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)具備自穩(wěn)性和自撐性。

3)已研發(fā)傾斜樁設(shè)備技術(shù)有明顯優(yōu)勢，可以滿足傾斜支護(hù)樁的施工要求，為傾斜樁組合支護(hù)結(jié)構(gòu)的工業(yè)化施工提供便利。

4)相比于傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，傾斜樁及其組合支護(hù)結(jié)構(gòu)可高效、經(jīng)濟(jì)控制穩(wěn)定與變形，可在縮短施工周期的同時，支護(hù)樁實現(xiàn)工業(yè)化施工，具有顯著的推廣價值。